采煤塌陷区裂隙优先流特征

郭巧玲，苏 宁，丁 斌，杨云松

(1.河南理工大学资源环境学院,454003,河南焦作；2.中原经济区煤层(页岩)气河南省协同创新中心,454003,河南焦作；3.黄河水利委员会信息中心,450003,郑州；4.河南理工大学工商管理学院,454003,河南焦作)

优先流是一种常见的土壤水分运移形式,是土壤水运动机理研究由均质走向非均质领域的标志[1-2],用于描述在多种环境条件下发生的非平衡流过程。优先流的存在使水分主要受重力影响经过优先路径快速流过上层土壤而很少与周围的土壤基质发生相互作用,使水和溶质通过优先路径快速到达深层土壤,增加地下水污染威胁,对地表径流的产生,水土流失及深层地下水的储量影响较大[3-5],在流域水文过程中具有重要作用[6],它是目前国内外环境、水和土壤物理研究的科学家关注的热点问题之一。近年来,不同的专家和学者[7-11]分别对自然环境作用下,动植物形成的孔隙,冻融及干湿交替过程形成的裂隙、裂缝等产生的优先流开展了大量研究。人为工程作用环境下形成的裂隙、裂缝与自然环境形成的裂隙、裂缝特征明显不同,其产生的优先流亦会不同。煤矿开采是形成人为工程作用下的土壤裂缝重要原因之一,也是煤炭开采地表破坏形式之一。塌陷区裂缝引发的优先流将引起矿区水文地质条件及地表水—土壤水—地下水转化过程变化,导致矿区土壤环境质量下降,水土流失等问题的出现。不同的专家学者时煤矿塌陷区地裂缝的破断、发育及对植物生长的影响等[12-13]进行了研究。还有学者对采煤塌陷对包气带结构的影响[14]和塌陷区土壤水空间分布及动态变化[15]等进行了研究。关于采煤塌陷区裂缝优先流研究,程方奎[16]尝试用高密度电法研究平原煤矿塌陷区裂隙优先流形成、分布及时空演化,严家平等[17]在对淮南矿区的研究中指出土壤优先流常为地下水运移提供优先路径[17]；但对于神府东胜煤田,塌陷区裂缝优先流研究成果相对较少。笔者通过野外染色示踪试验,分析采煤塌陷区裂缝优先流特征,可丰富优先流研究的理论成果,为矿区水土流失和生态环境治理提供基础支撑。

1 研究区概况

研究区位于神府 东胜煤田石圪台煤矿采空区,黄河中游典型一级支流窟野河流域[18],陕西北部黄土高原与内蒙古高原交界地带[19],位于E 109°40′～110°30′,N 38°12′～ 39°27′；气候为干旱、半干旱大陆性季风气候,多年平均气温7.9℃,多年平均降水量386 mm,雨季集中在6—9月,占年降水量的78.7%,多以暴雨形式出现[20]；地貌以砂梁、黄土梁峁和沙漠滩地地貌为主[21],土质疏松,土壤瘠薄,地表植被稀少[22]。该区煤炭资源丰富,且矿区煤炭具有埋藏浅、易开采、煤质优的特点[23]。

2 材料与方法

2.1 野外染色实验

在石圪台煤矿塌陷区内选择50 m×50 m的试验样地,样地内无植被覆盖。以亮蓝为示踪剂进行染色试验。试验于2016年7月21—29日开展,在样地内选取2个相距20 m的试验点,试验点1裂缝1条,宽20 mm；试验点2裂缝3条,宽5 mm,呈“Y”字型结构。将直径60 cm、高40 cm的铁环打入土中30 cm,捣实距环内壁5 cm的土层,防止染料沿内壁缝隙下渗,用浓度为4 g/L的亮蓝溶液20 L,均匀喷洒于环内,用塑料薄膜将试验点覆盖,防止水分蒸发及降雨影响。24 h后以10 cm为一层开挖水平剖面(图1)。开挖剖面时,首先确定地表沿裂缝走向的直径,将直径等分为6段,在节点处沿垂直直径方向依次开挖纵剖面,0～10 cm深度的5个纵剖面开挖完毕,进行横剖面整平并拍照；依次进行各层纵剖面和横剖面开挖。剖面挖取要尽量平整光滑,防止粗糙面产生阴影而影响染色面积的计算,垂直剖面的挖取要与水平面垂直,防止图像发生变形。开挖时用1 200万像素的相机进行拍照,拍照时,相机的镜头垂直正对剖面中心,防止图像发生变形。

2.2 染色图像处理

在进行图像处理前,首先对同一位置不同深度的纵剖面图像进行拼接,形成完整的5个纵剖面图。利用Photoshop CS 6.0和ArcGIS 10.2软件进行图片处理。采用Photoshop CS 6.0软件对图片进行几何校正、裁剪(将横剖面裁剪成边长42 cm的正方形；5个纵剖面的宽从过圆心剖面向两边依次为60、56和44 cm),自动对比度、颜色替换和灰度使染色区为黑色和灰色、非染色区为白色和浅灰色。调整阈值使处理结果与实际染色结果相同,此时染色与未染色部分分别为黑色和白色。将处理后的黑白照片导入ArcGIS 10.2对处理后的染色图像进行黑白像素统计,最终得到1个仅由0(白色)和1(黑色)组成的信息矩阵。计算每层连续黑色栅格的数量,记为1个染色路径,统计每层染色路径(优先路径)数量,将1条染色路径所占的比例乘以实际剖面宽度得到染色路径实际宽度。染色面积比通过计算某一深度土层中染色像素数占图像宽度方向上总像素数的比值来确定。

2.3 土壤物理和水分特性

图1 染色试验土壤剖面示意图Fig.1 Soil profile in soil-dyeing experiment

在野外染色示踪试验进行分层挖掘剖面时,每层分别使用100 cm3的标准环刀采集染色区域土样1个,直到剖面染色消失,密封带回实验室进行土壤机械组成、含水量、密度、饱和导水率、田间持水量和孔隙度等测试。土壤机械组成采用比重计法；含水量采用烘干法；密度采用称量法；饱和导水率采用定水头渗透仪法；田间持水量采用威尔特克斯法；孔隙度采用如下公式计算:

式中:Pt为土壤孔隙度,%；ρb为土壤密度,g/cm3；ρs为土粒密度,g/cm3。

3 结果与分析

3.1 土壤物理和水分特性

采空区试验点1和试验点2的土壤机械组成、孔隙度、含水量、密度、饱和导水率和田间持水量的分析结果见表1。试验点1和试验点2的染色深度分别为地面以下70和50 mm。2个试验点土壤的机械组成主要由1～0.05 mm的砂粒组成,0.05～0.01 mm的粗粉粒与＜0.01 mm的细粉粒和黏粒质量分数基本相当且较少。相同深度处,试验点1的砂粒含量低于试验点2；粗粉粒、细粉粒和黏粒的质量分数高于试验点2。试验点1相邻土层的土壤孔隙度及容重的变化幅度大于试验点2。土壤含水量、饱和导水率和田间持水量的变化范围2个试验点较为一致。总体上,随着土壤深度的增加,2个试验点土壤的孔隙度、含水量及田间持水量呈增加趋势；饱和导水率呈减小态势。

3.2 优先流分布及染色面积

3.2.1 水平剖面染色特征及染色面积 依据实际染色深度情况,试验点1挖取6个水平剖面,试验点2挖取4个水平剖面(图2a、2b)。试验点1第1层(0～10 cm)剖面被亮蓝溶液大面积染色,染色面积达98.27%且染色均匀,表明是基质流主导。图中的1白色条带,说明此处没有水流通过,水流绕过此区域向下渗流。可能是由于该区域孔隙度小,导水性差,渗透性差等原因。第2层(10～20 cm)和第3层(20～30 cm)染色面积分别为89.77%和81.93%,优先流显现。第4层(30～40 cm)和第5层(40～50 cm)染色面积迅速下降到62.25%和53.10%且优先路径明显。第6层(50～60 cm)染色面积仅有11.49%,优先路径较少。试验点2优先流在第 1层(0～10 cm)开始发生,染色面积84.07%；第2层染色面积83.68%,该2层是优先流的主要发生区域。第3层和第4层染色面积急速下降到38.45%和33.84%,优先路径较少。

表1 土壤物理和水分特性Tab.1 Soil physical and moisture characteristics

对比2个试验点,同一深度的水平染色剖面,试验点1的染色面积大于试验点2。地面以下20～30和30～40 cm的水平染色剖面,试验点1染色范围大且分散,试验点2染色范围小且集中,说明试验点1比试验点2的侧向渗流范围大。总体上,2个试验点土壤染色面积随深度的增加而减小,染色区域位置具有一定的连续性。主要是由于各层孔隙结构及其优先路径位置的分布具有一定的连续性。

3.2.2 垂直剖面染色特征及染色面积

2个试验点在垂直方向分别开挖5个剖面,依次定义为剖面A(宽44 cm)、B(宽56 cm)、C(宽60 cm)、D(宽56 cm)和E(宽44 cm),剖面C是通过直径的中心剖面,各垂直剖面的染色图像见图3。试验点1各垂直剖面A、B、C、D和E的染色最大深度依次为66.22、67.88、66.02、55.22 和32.14 cm,A ～C剖面的染色深度明显大于剖面D和E。试验点2各垂直剖面A、B、C、D和E的染色最大深度依次为36.46、36.89、44.42、45.87 和 46.67 cm,染色深度由A至E基本呈增加趋势。

对比2组染色试验,在相同容积的染色溶液条件下,试验点1最大染色深度达到66.02 cm,试验点2染色深度仅为46.87 cm,二者的染色深度有明显的差异。同时,2个试验点的优先流分布特征也明显不同,说明裂缝的宽度、条数等对优先流产生影响,裂缝宽度和深度较大的区域,对渗流影响较大,优先流能够到达土壤更深处。

2个试验点各垂直剖面染色面积随深度变化规律见图4,整体上呈S形趋势减小,主要是因为水分侧流使得染色面积并不随着土壤深度呈单调递减,局部染色面积会增大。

图2 水平剖面染色图Fig.2 Dyed pattern in horizontal section

试验点1的5个剖面,在0～12 cm的表土层,染色面积均达到96%以上；12 cm以下,随着深度的增加各剖面染色面积变化具有一定的差异。剖面A分别在28和48 cm出现2个峰值,48 cm以下染色面积迅速下降,至66 cm染色面积仅为5.00%；剖面B在32 cm出现轻微的波动后46 cm深度达到峰值,此后持续下降至66 cm染色面积为6.86%；剖面C仅在32 cm出现一次峰值,持续下降至64 cm染色面积为4.46%；剖面D分别在26和42 cm出现2个峰值,至54 cm染色面积为3.54%；剖面D在12 cm以下染色面积呈现急速减少趋势,32 cm染色面积仅为3.41%,是5个剖面中染色深度最浅的剖面。

试验点2的5个剖面,剖面A在0～10 cm的表土层,染色面积达94%以上；随着深度的增加,染色面积呈稳定减小趋势,至36 cm染色面积为5.93%。剖面B在0～14 cm的表土层,染色面积达95%以上；随着深度的增加,染色面积呈稳定减小趋势,至36 cm染色面积为2.86%。剖面C在0～18 cm染色面积均在96%以上,此后分别在22和34 cm出现2个峰值后持续下降至44 cm染色面积为0.18%。剖面D在0～20 cm染色面积均在99%以上,此后分别在24和34 cm出现2个峰值后持续下降至44 cm染色面积为4.54%。剖面E在0～20 cm染色面积均在98%以上,此后分别在26和36 cm出现2个峰值后持续下降至46 cm染色面积为4.62%。总体上,剖面A和B的染色面积变化规律较为一致,剖面C、D和E的变化基本一致。

3.3 染色路径及宽度

图3 垂直剖面染色图Fig.3 Dyed pattern in vertical section

将2组试验点各自的5个剖面分别以2 cm为1层,统计各层染色路径数量(图5)。试验点1在0～8 cm的表土层,染色路径较少(＜8个)；8～54 cm区间,染色路径稳定在在8～12个,54 cm以下,染色路径数量迅速减小。试验点2在0～12 cm的表土层,染色路径稳定在5个；20～24 cm范围,染色路径最多,22 cm处达到最大值(19个),此后快速下降,至28 cm处,染色路径为10个,28 cm以下出现小幅波动后持续下降。离散系数可反映统计参数的离散程度,试验点1在0～8 cm范围各层染色路径宽度的离散系数在0.13～0.69之间,10～50 cm范围在0.82～1.26之间,52～56 cm范围在0.63～0.67之间,10～50 cm范围变异性相对较强,稳定性较弱。试验点2在0～16 cm各层染色路径宽度的离散系数在0.11～0.46之间,18～38 cm的离散系数在0.79～1.05之间,40～46 cm的离散系数在0.03～0.38之间,18～38 cm是变异性较强,稳定性较弱的区域。

不同深度染色路径的数量及宽度范围统计见表2a和表2b。总体上,2个试验点均随着深度的增加,宽路径的数量呈减小趋势,细小路径的数量逐渐增多。试验点1在0～20 cm范围,染色路径集中在40 cm以上的宽路径,伴有少量0.38～2.81 cm的细小路径；20～40 cm处,宽路径以30～40 cm为主且数量减少,同时1 cm以下的细小路径增多；40～60 cm处,宽路径以10～20 cm为主,细小路径的数量基本与20～40 cm处相当；60 cm以下,染色路径全部为小于3 cm的细小路径；10～50 cm是染色路径发育较多的区域。试验点2在0～10 cm,染色路径均为47 cm以上的宽路径；10～20 cm范围染色路径以10～20 cm宽度为主,同时出现1～4 cm的细小路径；20～40 cm染色路径主要是1～5 cm的细小路径且数量较多；40 cm以下全部为细小路径；10～30 cm是染色路径发育较多的区域。

图4 土壤染色面积变化Fig.4 Area change of dyed soil

图5 土壤染色路径数量分布Fig.5 Number distribution of soil-dyed paths

表2 不同深度染色路径的数量及宽度Tab.2 Number and width of dyed paths in different depths

4 结论与讨论

1)采煤塌陷区不同地表裂缝条件下,土壤基本特性随深度的变化规律一致。均随着土壤深度的增加,土壤的孔隙度、含水量及田间持水量呈增加趋势,饱和导水率呈减小态势。不同的裂缝情况下,相同深度的土壤基本特性指标略有区别。

2)从水平剖面染色图像可知,采煤塌陷区土壤染色面积随深度的增加而减小,染色区域位置具有一定的连续性。从垂直剖面染色图像可知,2个试验点各垂直剖面染色面积随深度整体上呈S形趋势减小。在相同容积的染色溶液条件下,试验点1最大染色深度达到66.02 cm,试验点2染色深度仅为46.87 cm,二者的染色深度有明显的差异。同时,2个试验点的优先流分布特征也明显不同,说明裂缝的宽度、条数等对优先流产生影响,裂缝宽度较大的区域,对渗流影响较大,优先流能够到达土壤更深处。

3)裂缝宽度和条数不相同的2个试验点,裂缝较宽、条数较少的试验点1在地面以下8～54 cm区间染色路径较多；而裂缝宽度较窄、条数较多的试验点2在地面以下12～28 cm区间染色路径较多。总体上,2个试验点均随着土壤深度的增加,宽路径的数量呈减小趋势,细小路径的数量呈增加趋势。

4)笔者通过染色示踪对黄土砂区采煤塌陷裂缝产生的优先流特征做了初步研究。下一步将研究裂缝的形成机理,裂缝与优先流的关系,不同降雨条件下优先流差异等,以有效的支撑当地矿区生态恢复治理工作。

5)本研究是针对干旱、半干旱地区的黄砂土区的采煤塌陷裂缝开展研究。其他气候、地形地貌、土壤条件下的采煤塌陷裂缝优先流会与该研究结果有一定的差异,应结合当地实际具体分析。

5 参考文献

[1] FLURY M,FLUHLER H,JURY W A,et al.Susceptibility of soils to preferential flow of water:A field study[J].Water Resources Research,1994,30(7):1945.

[2] 牛健植,余新晓,张志强.优先流研究现状及发展趋势[J].生态学报,2006,26(1):231.NIU Jianzhi,YU Xinxiao,ZHANG Zhiqiang.The present and future research on preferential flow[J].Journal of Ecology,2006,26(1):231.

[3] SIDLE R C,NOGUCHI S,TSUBOYAMA Y,et al.A conceptual model of preferential flow systems in forested hillslopes evidence of self-organization[J].Hydrological Processes,2001,15:1675.

[4] 石辉,刘世荣.森林土壤大孔隙特征及其生态水文学意义[J].山地学报,2005,23(5):533.SHI Hui,LIU Shirong.Large pore characteristics of forest soils and their implications for hydrology[J].Journal of Mountain Science,2005,23(5):533.

[5] 王发,付智勇,陈洪松,等.喀斯特洼地退耕和耕作土壤优先流特征[J].水土保持学报,2016,30(1):111.WANG Fa,FU Zhiyong,CHEN Hongsong,et al.Karst depression and farmland tillage soil preferential flow characteristics[J].Journal of Soil and Water Conservation,2016,30(1):111.

[6] 秦耀东,任理,王济.土壤中大孔隙流研究进展与现状[J].水科学进展,2000,11(2):203.QIN Yaodong,REN Li,WANG Ji.Research progress and current situation of macrospore flow in soil[J].Progress of Water Sciences,2000,11(2):203.

[7] LARSSON M,JARVIS N,TORSTENSSON G,et al.Quantifying the impact of preferential flow on solute transport to tile drains in a sandy field soil[J].Journal of Hydrology,1999,215(1/2/3/4):116.

[8] MOONEY S J,NIPATTASUK W.Quantification of the effects of soil compaction on water flow using dye tracers and image analysis[J].Soil Use and Management,2003,19(4):356.

[9] ALAOUI A,CADUFF U,GERKE H H,et al.Preferential flow effects on infiltration and runoff in grassland and forest soils[J].Vadose Zone Journal,2011,10(1):367.

[10] CANNAVO P,MICHEL J C.Peat particle size effects on spatial root distribution and changes on hydraulic and aeration properties[J].Scientific Horticulture,2013,151:11.

[11] 盛丰,方妍.土壤水非均匀流动的碘-淀粉染色示踪研究[J].土壤,2012,44(1):144.SHENG Feng,FANG Yan.Study on the tracer of iodine and starch in non-uniform flow of soil water[J].Soil,2012,44(1):144.

[12] 胡振琪,王新静,贺安民.风积沙区采煤沉陷地裂缝分布特征与发生发育规律[J].煤炭学报,2014,39(1):11.HU Zhenqi,WANG Xinjing,HE Anmin.Distribution characteristic and development rules of ground fissures due to coal mining in windy and sandy region[J].Journal of China Coal Society,2014,39(1):11.

[13] 蒙仲举,任晓萌,陈晓燕,等.采煤塌陷对沙柳根系损伤机理研究[J].北方园艺,2014(1):66.MENG Zhongju,REN Xiaomeng,CHEN Xiaoyan,et al.The damage mechanism of Salix root in coal mining subsidence[J].Northern Horticulture,2014(1):66.

[14] 张发旺,宋亚新,赵红梅,等.神府-东胜矿区采煤塌陷对包气带结构的影响[J].现代地质,2009,23(1):178.ZHANG Fawang,SONG Yaxin,ZHAO Hongmei,et al.The influence of coal mining subsidence on the structure of aeration zone in Shenfu-Dongsheng mining area[J].Modern Geology,2009,23(1):178.

[15] 赵红梅,张发旺,宋亚新,等.大柳塔采煤塌陷区土壤含水量的空间变异特征分析[J].地球信息科学学报,2010,12(6):753.ZHAO Hongmei,ZHANG Fawang,SONG Yaxin,et al.Analysis of spatial variability of soil water content in the subsidence area of coal mining area[J].Chinese Journal of Geo-information Science,2010,12(6):753.

[16] 程方奎.煤矿开采塌陷区土壤裂隙优先流对地表水土流失控制作用模拟研究[D].安徽淮南:安徽理工大学,2016:58.CHENG Fangkui.Simulation study on the effect of soil fracture preferential flow on subsidence control of surface subsidence in coal mining area[D].Huainan,Anhui:Anhui University of Science&Technology,2016:58.

[17] 严家平,陈孝杨,程方奎,等.矿区土壤裂隙优先流对土壤铵态氮迁移及土壤结构的影响[J].农业工程学报,2018,34(2):122.YAN Jiaping,CHEN Xiaoyang,CHENG Fangkui,et al.Effect of soil fracture priority flow on soil ammonium nitrogen transfer and soil structure in mining area[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2018,34(2):122.

[18] 赵晓坤,王随继.窟野河洪水特性及变化趋势分析[J].干旱区资源与环境,2012,26(4):92.ZHAO Xiaokun,WANG Suiji.The flood characteristics and change trend analysis of Kuye river[J].Resources and Environment in the Arid Area,2012,26(4):92.

[19] 王力,张青峰,卫三平,等.黄土高原水蚀风蚀交错带煤田开发区小流域植被恢复模式[J].北京林业大学学报,2009,31(2):36.WANG Li,ZHANG Qingfeng,WEI Sanping,et al.Recovery model of small watershed in coal mining area in Loess Plateau vegetation water and wind erosion ecotone[J].Journal of Beijing Forestry University,2009,31(2):36.

[20] 郭巧玲,韩振英,杨琳洁,等.煤矿开采对窟野河地表径流影响的水文模拟[J].水利水电科技进展,2015,35(4):19.GUO Qiaoling,HAN Zhenying,YANG Linjie,et al.Hydrological simulation of the influence of coal mining on the surface runoff of Kuye river[J].Advances in Science and Technology of Water Resources,2015,35(4):19.

[21] 崔邦军,蒋泽泉.神东矿区石圪台煤矿矿井突水因素[J].煤炭技术,2012,31(1):119.CUI Bangjun,JIANG Zequan.Water inrush factors in Shigetai mine of Shendong coal mine[J].Coal Technology,2012,31(1):119.

[22] 王国庆,张建云,李岩.窟野河流域径流演变及其驱动因素分析[J].水资源与水工程学报,2014,25(2):7.WANG Guoqing,ZHANG Jianyun,Li Yan.Analysis of runoff evolution and its driving forces in Kuye river basin[J].Journal of Water Resources and Water Engineering,2014,25(2):7.

[23] 刘二佳,张晓萍,张建军,等.1956—2005年窟野河径流变化及人类活动对径流的影响分析[J].自然资源学报,2013,28(7):1159.LIU Erjia,ZHANG Xiaoping,ZHANG Jianjun,et al.A-nalysis of runoff change and the influence of human activities on runoff in 1956-2005 in Kuye river[J].Journal of Natural Resources,2013,28(7):1159.